实验解：实验方法始终是解决工程对流换热问题不可缺少的基本手段。它也是分析解或数值解唯一可靠的检验手段，对求不出理论解的问题，更要靠它来获得所需要的基本规律和数据。实验解方法应当在相似理论的指导下进行才能得到正确有效的结果。
类比方法：建立在流体动量与热量传递规律的相似性上，无论层流还是湍流，只要流动阻力来自流体的分子粘性和湍流“粘性”，均可以运用类比关系通过摩擦系数直接得到对流换热的表面传热系数。对于外部流动和内部流动，最主要的两个类比率关系式是
；适用条件：；；适用条件：
数值解：通过对边界层微分方程组进行离散化处理求得各节点上流体的速度、温度和压力参数的数值求解方法。由于动量方程中存在非线性的对流项及压力梯度项，使对流换热的数值处理比导热复杂很多。 5、相似理论与相似准则数相似原理是指导用实验方法研究包括对流换热在内的很多工程技术问题的方法理论。它的主要内容可以概括为相似三定理，它们分别回答了实验研究中遇到的四个主要问题： (1)彼此相似的现象，其对应点的同名相似准则数相等。
实验中模型应该如何选取，应该测量哪些量？模型应保证与实物物理现象相似，应测量相似准则数中所包含的各个物理量，其中的物性由定性温度确定。
(2)描述物理过程的微分方程积分结果可以用相似准则数之间的函数关系来表示。 实验结果应该怎么表示?应该用准则数关联式的形式来表示。
(3)凡同类现象，若同名已定准则数相等．且单值性条件相似，那么这两个现象必定相似。 实验结果可以应用到哪些范围?实验结果可用于所有与实验状态保持相似的同类对流换热问题中。 下表汇总列出了本教材以及传热文献中最经常遇到的所有相似准则数，它们的定义和物理解释，供读者在学习和工作中参考。
相似准则数的定义与物理解释(按准则数名称的字母排序)
6、掠过平板的强迫对流换热
应注意区分层流和湍流两种流态(一般忽略过渡流段)，恒壁温与恒热流两种典型的边界条件，以及局部Nu数和平均Nu数。具有末加热起始段的换热对某些工程问题有重要的应用价值。
单相流体对流换热及准则关联式部分
一、基本概念
主要包括管内强制对流换热基本特点；外部流动强制对流换热基本特点；自然对流换热基本特点；对流换热影响因素及其强化措施。
1、对皆内强制对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体的换热?
答：采用短管，主要是利用流体在管内换热处于入口段温度边界层较薄，因而换热强的特点，即所谓的“入口效应”，从而强化换热。而对于弯管，流体流经弯管时，由于离心力作用，在横截面上产生二次环流，增加了扰动，从而强化了换热。
2、其他条件相同时，同一根管子横向冲刷与纵向冲刷相比，哪个的表面传热系数大，为什么？ 答：横向冲刷时表面传热系数大。因为纵向冲刷时相当于外掠平板的流动，热边界层较厚，而横向冲刷时热边界层薄且存在由于边界层分离而产生的旋涡，增加了流体的扰动，因而换热强。
3、在进行外掠圆柱体的层流强制对流换热实验研究时，为了测量平均表面传热系数，需要布置测量外壁温度的热电偶。试问热电偶应布置在圆柱体周向方向何处? 答：横掠圆管局部表面传热系数如图。
在0-1800内表面传热系数的平均值hm与该曲线有两个交点，其所对应的周向角分别为φ1，φ2。布置热电偶时，应布置在φ1，φ2所对应的圆周上。由于对称性，在圆柱的下半周还有两个点以布置。 4、在地球表面某实验室内设计的自然对流换热实验，到太空中是否仍然有效，为什么？
答：该实验到太空中无法得到地面上的实验结果。因为自然对流是由流体内部的温度差从而引起密度差并在重力的作用下引起的。在太空中实验装置格处于失重状态，因而无法形成自然对流，所以无法得到顶期的实验结果。
5、管束的顺排和叉排是如何影响换热的?
答：这是个相当复杂的问题,可简答如下：叉排时,流体在管间交替收缩和扩张的弯曲通道中流动,而顺排时则流道相对比较平直,并且当流速和纵向管间距s2较小时,易在管的尾部形成滞流区.因此,一般地说,叉排时流体扰动较好,换热比顺排强.或：顺排时，第一排管子正面受到来流的冲击，故φ=0处换热最为激烈，从第二排起所受到的冲击变弱，管列间的流体受到管壁的干扰较小，流动较为稳定。叉排时每排管子受到的冲击相差不大，但由于流体的流动方向不断改变，混合情况比顺流好，一般情况下，差
排的平均换热系数比顺排时为大。
6、空气沿竖板加热自由流动时,其边界层内的速度分布与空气沿竖板受迫流动时有什么不同,为什么? 答：在自由流动时,流体被壁面加热,形成自由流动边界层.层内的速度分布与受迫流动时不相同.流体温度在壁面上为最高,离开壁面后逐渐降到环境温度,即热边界层的外缘,在此处流动也停止,因此速度边界层和温度边界层的厚度相等,边界层内的速度分布为,在壁面上及边界层的外缘均等于零.因此在层内存在一个极大值(见图1).受迫流动时,一般说速度边界层和温度边界层的厚度不相等.边界层内的速度分布为壁面处为零,.而外缘处为u∞(见图2)。
7、试讨论在无限空间自由流动紊流换热时对流换热强度与传热面尺寸的关系,并说明此关系有何使用价值。
答：当在无限空间自由流动紊流换热时,换热面无论是竖壁、竖管、水平管或热面向上的水平板,它们的对流换热准则方程式 Nu=C(Gr.Pr)中的指数n都是1/3,因此方程等式两边的定型尺寸可以消去,表明自由流动紊流换热时,换热系数与传热面尺寸(定型尺寸)无关.利用这自动模化特征,在自由流动紊流换热实验研究中, 可以采用较小尺寸的物体进行试验,只要求实验现象的GrPr值处于紊流范围。 8、在对流温度差大小相同的条件下,在夏季和冬季,屋顶天花板内表面的对流放热系数是否相同?为什么?
答：在夏季和冬季两种情况下,虽然它们的对流温差相同,但它们的内表面的对流放热系数却不一定相等。原因:在夏季tf＜tw,在冬季tf＞tw,即在夏季,温度较高的水平壁面在上,温度较低的空气在下,自然对流不易产生,因此放热系数较低.反之,在冬季,温度较低的水平壁面在上,而温度较高的空气在下,自然对流运动较强烈,因此,放热系数较高。
二、定量计算
主要包括：单管内强制对流换热；外掠单管及管束的强制对流换热；大空间自然对流换热；有限空间自然对流换热及上述几种传热方式的综合应用等。
1、一套管式换热器，饱和蒸汽在内管中凝结，使内管外壁温度保持在100℃，初温为25℃，质量流量为0.8kg／s的水从套管换热器的环形空间中流过，换热器外壳绝热良好。环形夹层内管外径为40mm，外管内径为60mm，试确定把水加热到55℃时所需的套管长度，及管子出口截面处的局部热流密度。不考虑温差修正。
n
解：本题为水在环形通道内强制对流换热问题，要确定的是管子长度，因而可先假定管长满足充分发展的要求．然后再校核。
由定性温度
℃，得水的物性参数
W/(m.K)，
Pa.s
J/(kg.K)，Pr=4.31
当量直径
水被加热
假设换热达充分发展，
W/（m·K）
2
换热量：
W
而
所以：
m
因
，故换热已充分发展，不考虑管长修正。
2、某锅炉厂生产的220t/h锅炉的低温段管式空气预热器的设计参数为：顺排布置，s1=76mm, s2=57mm, 管子外径d0=38mm，壁厚δ=1.5mm；空气横向冲刷管束，在空气平均温度为133℃时管间最大流速
传热学典型习题详解
